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研究生:林郁儒
研究生(外文):Yu Ju Lin
論文名稱:聚亞醯胺薄膜之膠黏鋁結構的強度分析與量測
論文名稱(外文):Strength Analysis and Measurement of Polyimide Film Adhesively-bonded Al Structure
指導教授:蔡明義蔡明義引用關係
指導教授(外文):M. Y Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:94
中文關鍵詞:薄膜黏膠可靠度剝離強度
外文關鍵詞:filmadhesivereliabilitypeel strength
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摘 要
本研究主要針對多功能結構微電子系統內部的聚亞醯胺薄膜膠
合於鋁合金基板之構裝結構設計及對其所應用相關材料之機械特
性,利用實驗、理論與數值模擬等方法進行研究分析,以評估各種黏
膠材料及構裝方式之可行性。
所測試之基材為鋁合金;軟性電路板材料則以DuPont 公司生產
的Kapton 膠片為主。研究主要內容包含針對此構裝結構來選用滿足
太空環境要求之膠合材料,建立各種標準測試之資料庫,並進行可靠
度評估。一般而言,太空用材料之選用評估需考量接合膠材強度、熱
導係數、導電絕緣性質、溢氣性質等特性。本研究結合力學理論、數
值模擬及實驗的量測結果,針對此構裝結構在機械應力與熱應力下產
生之相關應力問題進行分析,進而改善該系統構裝的製程及設計,提
升該構裝結構的可靠度。研究結果可知,已成功定義多種黏膠材料量
測其接合介面之剝離強度變化及了解表面粗化處理對接合強度之提
升,並提供薄膜膠黏剪力強度的量測方法及接合強度。在數值分析方
面,利用實驗得知的荷重值,代入有限元素法將強度轉換成應力場,
並利用參數分析得知接合介面之剝離應力與剪應力模擬分析。由熱應
力分析結果得知,材料的楊氏係數對應力分佈所產生之影響是相當重
要。
Abstract
The purpose of this study is to evaluate adhesive properties in
polyimide film adhesively-bonded aluminum structure by experiment and
finite element method.
The test substrate is aluminum alloy, and the flexible material is
DuPont’s Kapton film. The main work of this study is to investigate both
epoxy- and silicone-base adhesives. The reliability for both peel and shear
strength is evaluated by using the film standard test.
The study of this bonding structure is used the peel and shear test
results to combine with finite element simulation in stress issues.
The results show both peel and shear strength in this bonding
structure and the epoxy base 3M 2216 adhesive has the better mechanical
properties than others. It is found that the results of peel test are promoted
by using 400-grit paper to grind bonding surface. From FEM, the stress
distributions of three main failure modes in peel and shear tests are
analyzed. Furthermore, the strength data are transformed from
experimental data by FEM successfully. Through this combination of
experimental and numerical studies, the adhesive material
characterization and bonding design methodology will be established for
this bonding structure.
目 錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
長庚大學授權書…..…….......................................................................... iii
誌謝……………………………………………………………………………………………..…....iv
中文摘要…..…….........................................................................................v
英文摘要…..……........................................................................................vi
目錄…..……...............................................................................................vii
表目錄…..…….............................................................................................x
圖目錄…..……............................................................................................xi
第一章 簡介 ........................................................................................... 1
1.1 研究背景 ..................................................................................... 1
1.2 文獻回顧 ..................................................................................... 3
1.2.1 黏貼膠材材料與接合 .............................................................. 3
1.2.2 表面處理於機械性質之影響 .................................................. 4
1.2.3 理論與分析 .............................................................................. 4
1.3 研究動機 ..................................................................................... 5
1.4 研究目的 ..................................................................................... 6
第二章 研究試片與研究方法 .................................................................. 7
2.1 研究試片 ..................................................................................... 7
‐viii‐
2.2 研究方法 ..................................................................................... 7
2.2.1 剝離試驗測試 Peeling Test (IPC-TM-650 2.4.8 及2.4.9)[19]
[20] ...................................................................................................... 7
2.2.2 針對薄膜材料制定之剪力試驗測試法 .................................. 8
2.2.3 破壞面分析 .............................................................................. 9
第三章 數值模擬與理論分析 ................................................................ 10
3.1 Suhir 之三層板理論[17] ............................................................ 10
3.2 有限元素分析分析方法 ........................................................... 11
3.3 有限元素法簡介 ....................................................................... 12
第四章 結果與討論 ................................................................................ 15
4.1 剝離應力試驗 ......................................................................... 15
4.1.1 Kapton 與鋁基板之接合膠材選擇 ..................................... 15
4.1.2 剝離測試試片製作標準程序 ................................................ 16
4.1.3 膠材剝離強度測試結果 ........................................................ 17
4.1.4 研磨粗化對膠材剝離強度測試結果影響 ......................... 18
4.2 剝離測試介面破壞分析(光學顯微鏡) .................................. 19
4.3 剪應力測試 ............................................................................. 21
4.4 有限元素模擬 ......................................................................... 23
4.4.1 網格大小對模擬結果之影響 ................................................ 23
‐ix‐
4.4.2 剝離試驗及剪應力試驗於破壞面之應力分布情形 ......... 23
4.4.3 膠材固化後楊氏係數對應力分佈之影響 ......................... 25
4.4.4 最大應力資料與之轉換 ...................................................... 25
4.5 熱應力之有限元素及Suhir 理論分析 .................................. 26
第五章 結論 ............................................................................................ 27
參考文獻 .................................................................................................. 29
附錄…………………………………………………………..…………..I
‐x‐
表 目 錄
表2.1 符合太空環境需求膠材資料表 ........................ 32
表3.1 有限元素模擬參數表 ................................ 32
表4.1 各種膠材之剝離應力測試資料 ........................ 33
表4.2 3M 2216 剪應力測試資料 ............................ 33
‐xi‐
圖 目 錄
圖1.1 接著行為示意模型 .................................. 34
圖1.2 接著力破壞示意圖 .................................. 34
圖1.3 凝聚力破壞示意圖 .................................. 34
圖1.4 微衛星用多功能結構微電子系統結構示意圖 ............ 35
圖2.1 IPC-TM-650 2.4.9 測試規範之試片夾置方式與夾具示意圖..
........................................................ 36
圖2.2 IPC-TM-650 2.4.9 實際測試圖 ....................... 36
圖2.3 剝離測試參考實驗結果 .............................. 37
圖2.4 具不同分佈之破壞強度之剝離測試參考實驗結果 ........ 37
圖2.5 薄膜材料之剪力試驗測試法 .......................... 38
圖2.6 光學顯微鏡設置圖 .................................. 39
圖3.1 Suhir 之三層板理論自由物體圖 ...................... 39
圖4.1 聚亞醯胺薄膜(kapton film)之膠合結構試片準備程序 ... 40
圖4.2 3M 1838 膠材剝離強度測試量測值 .................... 41
圖4.3 3M 1838 膠材剝離強度測試平均強度值 ................ 41
圖4.4 EPO-TEK T7 109 膠材剝離強度測試量測值 ............. 42
圖4.5 EPO-TEK T7 109 膠材剝離強度測試平均強度值 ......... 42
圖4.6 3M 2216 膠材剝離強度測試量測值(固化條件:室溫/24 小時後)
‐xii‐
........................................................ 43
圖4.7 3M 2216 膠材剝離強度測試平均強度值 ................ 43
(固化條件:室溫/24 小時後) ............................... 43
圖4.8 3M 2216 膠材剝離強度測試量測值(固化條件:室溫/7 天
後)…………………………………………………………………… 44
圖4.9 3M 2216 膠材剝離強度測試平均強度值 ................ 44
(固化條件:室溫/7 天後) .................................. 44
圖4.10 RTV 566 膠材剝離強度測試量測值 ................... 45
圖4.11 RTV 566 膠材剝離強度測試平均強度值 ............... 45
圖4.12 Silicone rubber(RTV 615)膠材剝離強度測試量測值 ... 46
圖4.13 Silicone rubber (RTV 615)膠材剝離強度測試平均強度
值………………………………………………………………… 46
圖4.14 3M 1838 膠材未粗化剝離試驗結果 ................... 47
圖4.15 3M 2216 膠材未粗化剝離試驗結果(固化條件:室溫/7 天後)
........................................................ 47
圖4.16 破壞模式1:破壞面在聚亞醯胺薄膜及膠材的貼合面 ... 48
圖4.17 破壞模式2:破壞面在膠材及鋁基板的貼合面 .......... 48
圖4.18 聚亞醯胺薄膜經粗化處理後光學顯微鏡500 倍放大圖 ... 49
圖4.19 鋁合金基板經粗化處理後光學顯微鏡500 倍放大圖 ..... 50
‐xiii‐
圖4.20 剝離試驗破壞於聚亞醯胺薄膜面殘留膠材觀察之光學顯微鏡
500 倍放大圖(聚亞醯胺薄膜表面) ........................... 51
圖4.21 剝離試驗破壞於鋁合金基板殘留膠材觀察之光學顯微鏡500
倍放大圖(鋁合金基板表面) ................................ 52
圖4.22 3M 2216 膠材剪應力強度測試量測值(固化條件:室溫/24 小
時後) ................................................... 53
圖4.23 3M 2216 膠材剪應力強度測試平均強度值(固化條件:室溫
/24 小時後) .............................................. 53
圖4.24 3M 2216 膠材剪應力強度測試量測值(固化條件:室溫/7 天後)
........................................................ 54
圖4.25 3M 2216 膠材剪應力強度測試平均強度值(固化條件:室溫/7
天後) ................................................... 54
圖4.26 RTV 566 膠材剪應力強度測試量測值 ................. 55
圖4.27 RTV 566 膠材剪應力強度測試量測值 ................. 55
圖4.28 剝離應力試驗之有限元素模型分析:σy 應力沿聚亞醯胺薄膜
及膠材接合介面之分佈 .................................... 56
圖4.29 σx 應力、σy應力及τxy應力沿聚亞醯胺薄膜及膠材接合介面之
分佈(聚亞醯胺薄膜上無殘膠) .............................. 57
圖4.30 有限元素分析:σy 應力全域分布圖(第一類模型) ...... 58
‐xiv‐
圖4.31 有限元素分析:σx 應力全域分布圖(第一類模型) ....... 58
圖4.32 有限元素分析:τxy 應力全域分布圖(第一類模型) ....... 59
圖4.33 σx 應力、σy應力及τxy 應力沿膠材及鋁基板接合介面之分佈(鋁
基板上無殘膠) ........................................... 60
圖4.34 有限元素分析:σy 應力全域分布圖(第二類模型) ....... 61
圖4.35 有限元素分析:σx 應力全域分布圖(第二類模型) ....... 61
圖4.36 有限元素分析:τxy 應力全域分布圖(第二類模型) ....... 62
圖4.37 σx 應力、σy應力及τxy 應力沿膠材及鋁基板接合介面之分佈(剪
應力模型) ............................................... 63
圖4.38 有限元素分析:σx 應力全域分布圖(第三類模型) ....... 64
其Y 方向的應力分布如下圖(全域) .......................... 64
圖4.39 有限元素分析:σy 應力全域分布圖(第三類模型) ....... 64
圖4.40 有限元素分析:τxy 應力全域分布圖(第三類模型) ...... 65
圖4.41 在不同楊氏係數模型下,σy應力沿聚亞醯胺薄膜及膠材接合
介面之分佈(聚亞醯胺薄膜上無殘膠) ........................ 66
圖4.42 在不同楊氏係數模型下,σy應力沿膠材及鋁基板接合介面之
分佈(鋁基板上無殘膠) .................................... 67
圖4.43 在不同楊氏係數模型下,τxy應力沿膠材及鋁基板接合介面之
分佈(剪應力模型) ........................................ 68
‐xv‐
圖4.44 有限元素分析及Suhir 理論在膠材內部之剝離應力比較(膠
材E = 10MPa) ............................................ 69
圖4.45 有限元素分析及Suhir 理論在膠材內部之剝離應力比較(膠材
E = 2000MPa) ............................................ 70
圖4.46 有限元素分析及Suhir 理論在膠材內部之剪應力比較(膠材E
= 10MPa) ................................................ 71
圖4.47 有限元素分析及Suhir 理論在膠材內部之剪應力比較(膠材E
= 2000MPa) .............................................. 72
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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